Điều khiển và giám sát cấp ghép phôi tự động sử dụng cánh tay robot

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Trong các ngành công nghiệp như sản xuất thép, nghiên cứu xét nghiệm và kỹ thuật hóa học, việc tự động hóa trong quá trình sản xuất, lắp ráp và kiểm tra chất lượng sản phẩm ngày càng trở nên cần thiết do môi trường làm việc khắc nghiệt và tiếp xúc với phôi độc hại Để đảm bảo tính ổn định của quy trình sản xuất, cần thiết phải có một dây chuyền cung cấp và lắp ráp phôi hoạt động đồng bộ, liên tục theo chu kỳ Do đó, việc nghiên cứu, thiết kế, tính toán và mô phỏng quy trình cấp phôi và lắp ráp phôi là rất quan trọng nhằm nâng cao năng suất lao động, hiệu quả sử dụng máy móc, cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm bớt sức lao động của con người.

Trong ngành sản xuất hiện nay, việc sử dụng hệ thống cấp phôi cơ khí, kết hợp cơ khí-điện và cơ khí-khí nén đang trở nên phổ biến Sự phát triển của công nghệ điều khiển tự động và kỹ thuật robot đã cho phép các nhà máy áp dụng tay máy linh hoạt, dễ dàng thay đổi chương trình sản xuất để phù hợp với các loại phôi khác nhau Điều này giúp tích hợp công nghệ tiên tiến vào quy trình sản xuất hàng loạt Các quốc gia có nền công nghiệp phát triển đã đầu tư vào các dây chuyền gia công hiện đại với kết cấu cơ khí chính xác và robot linh hoạt Hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất đơn giản, thuận tiện và có khả năng điều chỉnh linh hoạt để đáp ứng nhu cầu thị trường, tạo nên một quy trình hoạt động liên tục.

Tất cả các quy trình từ nguyên công cấp phôi đến nguyên công đóng gói sản phẩm đều được tự động hóa, giúp đưa sản phẩm vào kho dự trữ hoặc ra thị trường một cách hiệu quả.

Hệ thống cấp và lắp ghép phôi tự động thay thế sức lao động của con người bằng máy móc, giúp thực hiện nhanh chóng các công việc nặng nhọc Điều này không chỉ tăng cường khả năng sử dụng hệ thống cấp phôi cho các máy công cụ vạn năng, mà còn cho phép công nhân vận hành nhiều máy cùng lúc Nhờ vào hệ thống này, các nhà máy đã cải thiện hiệu quả trong việc sử dụng năng lượng, nguyên liệu và nguồn nhân lực Qua đó, vai trò của robot trong ngành sản xuất trở nên ngày càng quan trọng.

Tự động hóa công nghiệp giúp giảm chi phí vận hành bằng cách giảm số lượng nhân công, từ đó cắt giảm các chi phí liên quan đến nhân sự như tiền lương, thưởng, bảo hiểm y tế, chi phí làm thêm giờ và lương hưu.

• Tăng năng suất: Cho phép nhà máy hoạt động 24/7

Tự động hóa giúp cải thiện chất lượng sản phẩm bằng cách giảm thiểu sai sót do con người gây ra, từ đó đảm bảo chất lượng đồng đều hơn.

Robot và hệ thống máy tính có khả năng lập trình để thực hiện các thao tác mới mà không cần đào tạo hay hướng dẫn như con người, từ đó tăng cường tính linh hoạt trong quy trình sản xuất.

Hệ thống tự động hóa nâng cao mức độ an toàn bằng cách thay thế con người trong các môi trường nguy hiểm, như khu vực có bụi kim loại, virus, hoặc tiếng ồn cao.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Nghiên cứu và thiết kế hệ thống cấp và lắp ghép phôi tự động là cần thiết cho đội ngũ kỹ thuật, mang lại nhiều lợi ích kinh tế Việc chế tạo hệ thống này trong nước không chỉ giúp giảm chi phí so với thiết bị ngoại nhập mà còn đáp ứng nhu cầu sản xuất Điều này chứng tỏ trình độ kỹ thuật công nghệ của chúng ta đang phát triển và dần bắt kịp với thế giới.

Mục tiêu đề tài

Mục tiêu của đề tài là thiết kế, thi công, điều khiển và giám sát hệ thống cấp phôi tự động sử dụng cánh tay robot

Quá trình cấp và lắp ghép phôi tự động cần phải đạt được những mục tiêu sau:

• Đạt năng suất 160 sản phẩm 1h

• Thiết kế hệ thống có khả năng cấp và lắp ghép các dạng phôi có hình dáng và khối lượng khác nhau (vuông, tròn)

• Toàn bộ hệ thống cấp và lắp ghép phôi có thể được cài đặt thông số và giám sát từ xa

• Đảm bảo độ mọi quy trình an toàn kỹ thuật chuẩn công nghiệp.

Giới hạn đề tài

Trong khuôn khổ đề tài nhóm sinh viên tập trung nghiên cứu nội dung như sau:

• Giao tiếp giữa bộ điều khiển Robot

• Lập trình quy hoạch vị trí điểm, quỹ đạo di chuyển cho robot

• Thiết kế mô hình cấp phôi định hướng

• Thiết kế mô hình đáp ứng được kích thước và hình dáng phôi vuông < 50mm, tròn < 40mm

• Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển cả hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện tốt đề tài nhóm sinh viên tiếp cận vấn đề như sau:

Dựa vào kinh nghiệm và lý thuyết từ các thế hệ trước, chúng ta có thể xây dựng nền tảng vững chắc cho việc nghiên cứu và lập luận, từ đó đưa ra những giải pháp hiệu quả cho đề tài.

• Tham khảo các công trình nghiên cứu về cấp phôi đã có để nắm được tình hình, thực trạng

• Tham khảo tài liệu có liên quan đến Robot và các hệ thộng tự động

• Nghiên cứu các hệ thống vận hành tự động từ thực tế từ đó đúc kết cho đề tài

• Nghiên cứu phần mềm lập trình điều khiển và giám sát hệ thống cấp và lắp ghép phôi tự động

Nội dung của đề tài

Phần còn lại của đề tài có nội dung như sau:

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày tổng quan về các phương pháp cấp phôi, các hệ thống điều khiển và giám sát robot trong công nghiệp

Chương 3 Thiết kế hệ thống

Chương này nêu rõ các yêu cầu cụ thể của hệ thống và lựa chọn thiết bị phù hợp để đáp ứng những yêu cầu đó Đồng thời, chương cũng tập trung vào việc chọn lựa giải thuật tối ưu cho hệ thống Chương 4 sẽ trình bày kết quả thực hiện.

Chương này trình bày kết quả đã đạt được về phần cứng lẫn phần mềm

Chương 5 Kết luận và hướng phát triển

Chương này trình bày kết quả hoạt động của hệ thống và đề ra giải pháp năng cao năng suất trong tương lai

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hệ thống cấp phôi

Phôi rời là loại phôi phổ biến trong sản xuất hàng loạt và hàng khối, với đa dạng hình dáng, chủng loại và kích thước Việc phân loại phôi rời rất quan trọng trong việc lựa chọn các cơ cấu cấp phôi Thông thường, phôi rời được phân loại theo hình dáng, nhưng cũng có thể phân loại dựa trên các tính chất khác của phôi.

Một số loại phôi rời mà chúng ta thường gặp trong thực tế sản xuất là:

• Chi tiết hình trụ có chiều dài lớn hơn đường kính (L > D) có 2 dạng sau:

▪ Dạng chi tiết có hai trục đối xứng vuông góc nhau:

Hình 2.1: Chi tiết có hai trục đối xứng

▪ Dạng chi tiết có 1 trục đối xứng

Hình 2.2: Chi tiết có 1 trục đối xứng

▪ Chi tiết hình trụ có chiều dài gần bằng đường kính ( L φD/( L=φD 20%)) là chi tiết có hai trục đối xứng vuông góc:

Hình 2.3: Chi tiết trụ có chiều dài bằng đường kính

▪ Chi tiết có chiều dài nhỏ hơn đường kính L φD (L =φ0,8.D) cũng là chi tiết có hai trục đối xứng vuông góc nhau:

Hình 2.4: Chi tiết có chiều dài nhỏ hơn đường kính

▪ Chi tiết hình trụ có mũ là dạng chi tiết có một trục đối xứng:

Hình 2.5: Chi tiết hình mũ

▪ Ngoài ra, còn có các chi tiết dạng đĩa, bulông, vít, ốc…

2.1.2 Cấu tạo chung một hệ thống cấp phôi rời

Một hệ thống cấp phôi cần có các thành phần cơ bản sau:

• Cơ cấu định hướng phôi

• Cơ điều chỉnh tốc độ cấp phôi

• Gá đặt phôi khi gia công và tháo khi gia công xong

Các thành phần trong hệ thống có chức năng và nhiệm vụ riêng biệt, vì vậy cần được bố trí đồng bộ để tạo thành một thể thống nhất trong không gian Tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể, có thể chỉ cần một hoặc một số thành phần nhất định Việc phân chia hệ thống thành các thành phần chỉ mang tính tương đối, vì có thể kết hợp một số thành phần lại với nhau theo đặc điểm của sản phẩm nhằm tối ưu hóa sự đơn giản và hiệu quả của hệ thống.

2.1.3 Định hướng cho phôi rời

Trong quá trình tự động cấp phôi rời, việc định hướng phôi đóng vai trò quan trọng và đầy thách thức Hình dáng, kích thước và trọng lượng của phôi ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tự định hướng và quyết định phương pháp định hướng của hệ thống cấp phôi.

Những chi tiết đơn giản thường được chia thành 2 loại:

• Loại phôi có 1 trục đối xứng

• Loại phôi có 2 trục đối xứng trở lên

Loại phôi có 2 trục đối xứng trở lên chỉ cần định hướng 1 lần còn những phôi có 1 trục đối xứng thường phải định hướng 2 lần hoặc định hướng kép

Các phương pháp định hướng:

• Định hướng bằng tay: Đối với các chi tiết trụ dài (L/D từ 5 10), chi tiết trụ hoặc côn có L/D xấp xỉ bằng 1, các chi tiết khó định hướng tự động

• Định hướng tự động: cả 2 bước định hướng diễn ra trong phễu hoặc kết hợp phễu và máng dẫn

Để thiết kế hệ thống cấp phôi tự lựa hiệu quả, việc định hướng phôi cần tuân thủ một số nguyên tắc quan trọng nhằm đảm bảo tính dễ dàng trong quá trình hoạt động.

▪ Cơ cấu định hướng phải tạo điều kiện cho phôi tự nhận lấy vị trí ổn định tự nhiên của nó trong quá trình chuyển động

▪ Tìm cách thu nhận lấy những phôi có vị trí đúng và gạt bỏ hoặc sửa chữa lại vị trí của những phôi sai yêu cầu

▪ Những phôi bị gạt bỏ phải được vận chuyển ngược về phễu cấp phôi

▪ Nếu cơ cấu định hướng có độ tin cậy không cao thì phải bố trí vài ba cơ cấu trên đường vận chuyển phôi

2.1.4 Các phương pháp cấp phôi

Tùy thuộc vào hình dáng, kích thước và khối lượng của từng phôi sẽ có những phương pháp cấp phôi khác nhau cụ thể như:

• Phễu cấp phôi kiểu giá nâng: Chức năng của nó là dự trữ, bảo quản, định hướng và cung cấp phôi cho máy

Hình 2.6: Phễu cấp phôi kiểu giá nâng

3: Cơ cấu định hướng đứng

Nguyên lý làm việc của phễu cấp phôi kiểu giá nâng:

Phôi (4) được lưu trữ trong phễu chứa (1) và được đưa lên máng dẫn (5) nhờ cơ cấu cam (2) Những phôi có trục tâm nằm ngang sẽ lăn vào máng, trong khi phôi nghiêng hoặc thẳng đứng sẽ bị cơ cấu (6) gạt trở lại phễu Sau khi được định hướng nằm ngang, phôi (4) sẽ tiếp tục được định hướng đứng để chuyển từ trạng thái nằm ngang sang dọc và di chuyển đến vị trí tiếp theo Đồng thời, cơ cấu cam (2) sẽ quay xuống để thực hiện hành trình tiếp theo.

▪ Ưu điểm: o Dễ thiết kế, gọn nhẹ o Kết cấu đơn giản o Giá thành chế tạo rẻ

▪ Nhược điểm: o Năng suất không cao o Dễ kẹt phôi o Phễu cấp phôi định hướng bằng khe và rãnh: Dùng để cấp phôi hình trụ ngắn

• Phễu cấp phôi dạng khe rãnh: Chức năng của nó là dự trữ, bảo quản, định hướng và cung cấp phôi cho máy

Hình 2.7: Các dạng tiêu biểu phiểu cấp phôi dạng khe rãnh

Nguyên lý làm việc của phễu cấp phôi định hướng bằng khe và rãnh:

Rãnh V được thiết kế trên giá nâng nghiêng, nằm sát bên phễu Khi giá nâng di chuyển xuống đáy phễu, chi tiết sẽ lăn vào rãnh V và khi giá nâng tiến lên, chi tiết sẽ trượt ra ngoài qua máng Giá nâng tiếp tục hành trình bằng cách đi xuống và thực hiện các bước tiếp theo.

Giá nâng được đặt ở giữa phễu và hoạt động theo nguyên lý giống như hình a Trong khi đó, rãnh V được bố trí bên trái giá nâng nghiêng và sát mặt bên phễu, với nguyên lý hoạt động tương tự như các hình a và b.

Hình e: rãnh V đặt ở giữa, 2 giá nâng ở 2 bên lần lượt lên xuống mang phôi đưa vào rãnh V, năng suất gấp đôi hình d

Hình c, g không sử dụng rãnh V nhưng dùng khe hẹp có kích thước lớn hơn đường kính để chi tiết lăn qua khi giá nâng đẩy chi tiết lên cao

▪ Ưu điểm: o Định hướng chính xác o Không gây kẹt phôi

▪ Nhược điểm: o Kết cấu phức tạp, khó thi công o Giá thành cao

• Phễu cấp phôi kiểu ống hai nửa:

Hình 2.8: Phễu cấp phôi kiểu ống hai nửa

Nguyên lý làm việc của phễu cấp phôi kiểu ống hai nữa:

Phôi 1 được đỏ lộn xộn vào cốc phễu 2 Hai nửa ống di trượt 5 chuyển động trong ống bao 4 nhờ hai thanh gạt 8 Hai nửa ống sẽ tác động vào phôi làm cho phôi bị xáo trộn và rơi vào ống dẫn 6 ra ngoài Hai thanh gạt 8 được liên kết với hai nửa ống trượt bằng các chốt 14 và một đầu tì vào các cam 7 Các cam lệch 7 và 7a lắp đồng trục, lệch nhau 1800 và quay nhờ buly 12 Các giá đỡ 11 và 13 được bắt cứng trên đế 10 và trên giá đỡ 11 gắn cứng ống bao 4 Ống bao 4 có nhiệm vụ định hướng cho ống trượt và giữ vững cốc phễu nhờ đáy cốc 3 lắp vừa khít với ống 4 Có thể dùng động cơ và hộp giảm tốc để truyền động cho cam 7 Đường kính lỗ ống định hướng phải tuân thủ nguyên tắc không để 2 phôi cùng một lúc rơi vào ống, tránh được khoảng kích thước dễ bị kẹt phôi

▪ Ưu điểm: o Làm việc êm o Không gây kẹt phôi

▪ Nhược điểm: o Kết cấu phức tạp, khó gia công o Giá thành cao o Năng suất không cao

• Phễu cấp phôi kiểu đĩa quay: Dùng để cấp phôi chi tiết dạng trụ trơn hoặc trụ có bậc nhưng l ≥ d hoặc các phôi có dạng đĩa, vòng

Hình 2.9: Phễu cấp phôi kiểu đĩa quay

Nguyên lý làm việc của phễu cấp phôi kiểu đĩa quay:

Phôi được đổ vào cốc phễu và đĩa quay tròn nhờ hệ thống trục vít bánh vít, tạo ra sự xáo động cho phôi Khi rãnh trên đĩa ở vị trí thấp nhất, một phôi sẽ rơi vào, và khi rãnh quay lên vị trí cao nhất, phôi sẽ được vận chuyển ra máng Đĩa có nhiều rãnh giúp quá trình cấp phôi diễn ra liên tục Để hỗ trợ phôi dễ dàng rơi vào rãnh, có thể bố trí thêm cánh dẫn hướng trên đĩa Đáy phễu được đặt nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang khoảng một góc nhất định.

▪ Ưu điểm: o Làm việc êm o Kết cấu đơn giản, dễ gia công o Định hướng chính xác o Không gây kẹt phôi

▪ Nhược điểm: o Giá thành cao.

Hệ thống Robot

2.2.1 Khái niệm chung về Robot

Thuật ngữ "Robot" lần đầu tiên xuất hiện tại Mỹ nhờ công ty AMF, khi họ quảng cáo một thiết bị có hình dáng giống như cánh tay con người, được điều khiển tự động để thực hiện các thao tác sản xuất Thiết bị này được gọi là Versatran Kể từ đó, hơn 500 công ty trên toàn thế giới đã ra đời, tạo ra nhiều loại robot với mẫu mã, hình thức và chức năng đa dạng.

Theo tiêu chuẩn AFNOR của Pháp:

Robot là thiết bị tự động có khả năng lập trình và thực hiện các nhiệm vụ công nghệ bằng cách di chuyển và định vị các đối tượng vật chất như chi tiết, dao cụ và gá lắp Theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD, robot có thể thay đổi hành trình di chuyển dựa trên các chương trình đã được thiết lập.

Robot là thiết bị đa trục có khả năng thực hiện các chuyển động được lập trình và kết hợp chúng trong các khoảng cách tuyến tính hoặc phi tuyến Chúng được điều khiển bởi các bộ phận liên kết, có khả năng học hỏi và ghi nhớ chương trình Ngoài ra, robot còn được trang bị công cụ và công nghệ khác để thực hiện nhiệm vụ sản xuất một cách trực tiếp hoặc gián tiếp.

Bên cạnh khái niệm robot ta còn có khái niệm robotic, khái niệm này có thể hiểu như sau:

Robotics là lĩnh vực khoa học nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot, với ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của xã hội như khoa học - kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và đời sống dân sinh.

Robotics là một lĩnh vực khoa học liên ngành kết hợp giữa cơ khí, điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin Đây chính là sản phẩm đặc trưng của ngành cơ điện tử (mechatronics).

2.2.2 Các cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp

Robot công nghiệp bao gồm ba phần cơ bản: thân chính, hệ thống truyền động và hệ thống điều khiển

Robot công nghiệp được phân loại thành hai nhóm chính: loại đầu vào được lập trình sẵn và loại đầu vào dạy học theo chế độ chương trình.

Kiểu đầu vào lập trình cho phép máy tính biên dịch các tệp chương trình hoạt động qua cổng nối tiếp RS232, Ethernet và các phương thức giao tiếp khác, kết nối trực tiếp đến tủ điều khiển robot.

Phương pháp dạy học kiểu đầu vào bao gồm hai hình thức chính: đầu tiên là sử dụng toán tử với điều khiển bằng tay thông qua hộp điều khiển dạy học Phương pháp này cho phép tín hiệu chỉ dẫn được truyền tới hệ thống truyền động, từ đó thiết bị truyền động thực hiện các hành động theo trình tự và quỹ đạo cần thiết.

Robot hoạt động thông qua 14 chuyển động thực hiện một lần nữa, với người vận hành trực tiếp điều khiển thiết bị truyền động theo trình tự yêu cầu của hành động và quỹ đạo Performativity Một robot bao gồm các phần cơ bản thiết yếu để thực hiện chức năng của nó.

Hình 2.10: Sơ đồ các phần cơ bản của Robot [4]

Tay máy, hay còn gọi là Manipulator, là một cơ cấu cơ khí bao gồm các khâu và khớp, tạo thành cánh tay (arm) để thực hiện các chuyển động cơ bản Cổ tay (Wrist) giúp tăng cường sự khéo léo và linh hoạt, trong khi bàn tay hoặc phần công tác (End Effector) thực hiện các thao tác trực tiếp trên đối tượng.

Hệ thống cảm biến bao gồm các cảm biến và thiết bị chuyển đổi tín hiệu, giúp robot nhận biết trạng thái của các cơ cấu bên trong và môi trường xung quanh Các robot cần hệ thống cảm biến để xác định vị trí và tình trạng của chính mình cũng như để phản ứng với các yếu tố bên ngoài.

Cơ cấu chấp hành đóng vai trò quan trọng trong việc tạo chuyển động cho các khâu của tay máy Nguồn động lực cho các cơ cấu này có thể là động cơ điện, thủy lực, khí nén hoặc sự kết hợp giữa các loại động cơ này.

Hình 2.11: Hệ thống Robot chuẩn

Hệ thống điều khiển: Là hệ thống điều khiển số có máy tính giám sát và điều khiển hoạt động của robot

Theo chủng loại, mức độ điều khiển và nhận biết thông tin của các robot người ta chia robot thành nhiều thế hệ như sau:

• Thế hệ 1: Thế hệ kiểu điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình cứng không có khả năng nhận biết thông tin

• Thế hệ 2: Thế hệ kiểu điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình mềm bước đầu có khả năng nhận biết thông tin

Thế hệ 3 của công nghệ là loại hình điều khiển tinh khôn, có khả năng nhận diện thông tin và bắt đầu thực hiện một số chức năng tương tự như lý trí của con người.

Cấu trúc chấp hành của tay máy công nghiệp thường được mô hình hóa dưới dạng chuỗi động, bao gồm các khâu và khớp tương tự như trong nguyên lý máy.

• Chỉ sử dụng các loại khớp 5 (khớp quay, khớp tịnh tiến, khớp vít)

• Trục quay và hướng tịnh tiến của các khớp thì song song hay vuông góc với nhau

• Chuổi động chỉ là chuổi động hở đơn giản

Hình 2.12: Một vài cấu trúc của tay máy thường gặp

Có 2 kiểu điều khiển robot: điều khiển hở và điều khiển kín

Điều khiển hở là phương pháp sử dụng truyền động bước, bao gồm động cơ điện, thủy lực hoặc khí nén, trong đó quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ thuận với số xung điều khiển Mặc dù kiểu điều khiển này đơn giản, nhưng độ chính xác của nó lại không cao.

Hình 2.13: Sơ đồ hệ thống điều khiển hở

Các loại cảm biến trong Robot công nghiệp

Trong các hệ thống tự động, thiết bị nhận thông tin về sự thay đổi của môi trường và các đại lượng vật lý bên trong hệ thống được gọi là thiết bị cảm biến.

Cảm biến là một khái niệm quan trọng trong hệ thống tự động, nhưng định nghĩa của nó trong tiếng Việt chưa hoàn toàn chính xác so với tiếng Anh (sensor) và tiếng Pháp (capteur), vì nó thường bị hiểu hạn hẹp hơn Cảm biến có thể bao gồm nhiều thiết bị đơn giản như công tắc mini, công tắc hành trình, và thành lưỡng kim (bimetal) Để đảm bảo hệ thống tự động hoạt động hiệu quả, người sử dụng cần nắm rõ nguyên lý cấu tạo và các đặc tính cơ bản của cảm biến Trong các hệ thống vật lý, sự đa dạng của các đại lượng điều khiển dẫn đến sự phong phú về loại cảm biến.

Trong lĩnh vực robot công nghiệp, các thiết bị cảm biến được trang bị cho robot nhằm nhận biết và chuyển đổi thông tin về hoạt động của chính robot cũng như môi trường và đối tượng mà robot phục vụ Dựa vào phạm vi ứng dụng, cảm biến trong kỹ thuật robot được phân thành hai loại chính.

Cảm biến nội tín hiệu trong robot cung cấp thông tin quan trọng về vị trí, vận tốc và lực tác động tại các bộ phận thiết yếu Những tín hiệu phản hồi này giúp điều chỉnh tự động các hoạt động của robot, nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong quá trình vận hành.

Cảm biến ngoại tín hiệu cung cấp thông tin quan trọng về môi trường và các đối tác xung quanh, hỗ trợ nhận dạng và thực hiện di chuyển trong không gian làm việc Để đạt được điều này, cần sử dụng các loại cảm biến như cảm biến tín hiệu xa, tín hiệu gần, cảm biến xúc giác và cảm biến thị giác Các cảm biến này có thể là cảm biến thông dụng hoặc chuyên dụng, phục vụ không chỉ cho kỹ thuật robot mà còn cho nhiều thiết bị kỹ thuật khác Tùy thuộc vào loại tín hiệu cần nhận biết, có thể phân loại cảm biến thành cảm biến lực, vận tốc, gia tốc, vị trí, áp suất, lưu lượng và nhiệt độ Hơn nữa, cảm biến vị trí có thể được phân loại theo cách thức nhận tín hiệu, bao gồm cảm ứng, điện dung, điện trở và điện quang.

Cảm biến vị trí, với nhiều tên gọi khác nhau, được sử dụng để giám sát vị trí tức thời của các cơ cấu Tùy thuộc vào loại chuyển động, vị trí có thể được đo bằng đơn vị dài hoặc đơn vị góc Nhờ vào các chuyển đổi cơ khí, cảm biến đo góc có thể được sử dụng để đo chiều dài và ngược lại Các cảm biến đo chiều dài bao gồm biến trở, biến thể vi sai và encoder thẳng, trong khi cảm biến đo góc quay bao gồm cảm biến trở quay, encoder góc và resolver.

Encoder là thiết bị đo vị trí số, mã hóa tọa độ theo hệ nhị phân Có hai loại encoder: encoder thẳng và encoder góc, khác nhau ở cách khắc vạch là thẳng hoặc vòng tròn Ngoài ra, encoder còn được phân loại theo phương pháp mã hóa thành encoder tuyệt đối (absolute) và encoder gia số (incremental).

Thước đo vị trí kiểu gia số có thể sử dụng 1 hoặc 2 đĩa quang, với các vùng khắc đục xen kẽ Khi sử dụng một đĩa, nó sẽ được gắn với trục quay, trong khi hai đĩa sẽ có một đĩa gắn trục quay và một đĩa cố định Một phía của đĩa nguồn sáng được đặt đối diện với trục.

Bài viết mô tả về 3 “con mắt điện” dùng để thu tín hiệu từ từng vòng tròn Tại một vị trí cố định trên đĩa, vùng cho phép tia sáng đi qua được mã hóa là 1, trong khi vùng ngăn tia sáng sẽ được mã hóa là 0 Số lượng vùng sáng và tối trên đĩa ảnh hưởng đến độ phân giải của encoder.

Khi bắt đầu làm việc, hệ thống cần được điều chỉnh bằng cách quay lỗ gần vòng tròn thứ hai đến vị trí đối diện với nguồn sáng, nhằm giúp con mắt thứ ba có thể nhìn thấy tia sáng.

Khi hệ thống hoạt động, bộ xử lý đếm số lần con mắt ngoài cùng nhận diện tia sáng để tính toán góc quay của đĩa Chiều quay của đĩa được xác định qua tín hiệu từ hai vòng: nếu đĩa quay theo chiều kim đồng hồ, con mắt ngoài cùng sẽ thấy tia sáng trước mắt thứ hai, và ngược lại Dựa vào chiều quay, gia số sẽ được cộng hoặc trừ vào tổng số.

Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý của thước đo vị trí theo gia số

Thước đo vị trí tuyệt đối sử dụng một đĩa quang với nhiều vòng tròn đồng tâm, mỗi vòng chứa các vùng trong và đục xen kẽ Độ phân giải của encoder được xác định bởi số lượng vòng tròn; nếu số vòng tròn là n, thì số phần chia của mỗi vòng là 2^n Góc nhỏ nhất mà encoder có thể phân biệt là 360°/2^n Ví dụ, với n=4, số phần chia của vòng tròn là 16, cho phép encoder phân biệt được góc quay 360°.

16 = 22,5 0 Nếu n=8 thì góc đó là 360 0

Hình 2.16: Sơ đồ nguyên lý của thước đo vị trí tuyệt đối

Resolver không phát tín hiệu số như encoder, mà phát ra tín hiệu tương tự để biểu thị vị trí của đối tượng đo Mặc dù có hình dạng tương tự như động cơ điện, nguyên lý hoạt động của resolver lại gần gũi hơn với biến thể Cuộn dây rotor của resolver được cung cấp điện áp DC thông qua các vành dẫn điện, cho phép xác định chính xác vị trí.

Điện áp cung cấp cho rotor là dạng hình sin Vsinωt với tần số từ 0.4 đến 10KHz Stator của resolver bao gồm hai cuộn dây lệch nhau 90 độ, trong đó một cuộn dây nhận điện áp Vsinωt.sinθ, cho thấy điện áp ra phụ thuộc vào góc θ giữa rotor và stator Tín hiệu phản hồi α của góc quay được truyền đến hai cuộn dây qua hàm sinα và cosα, từ đó tạo ra tín hiệu ra Vsinωt.sin(θ – α) sau khi nhân và cộng đại số Tín hiệu này được khuếch đại và gửi đến khối đồng bộ, đảm bảo tỉ lệ với sin(θ – α) Nếu có sai lệch, thiết bị bù sẽ điều chỉnh tín hiệu Cuối cùng, tín hiệu được tích phân qua mạch phản hồi có bộ tạo dao động, chuyển đổi điện áp thành tần số và khối đếm xung, với giá trị α đại diện cho góc quay θ.

Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý làm việc và xử lý tín hiệu của resolver

Cảm biến lực được sử dụng chủ yếu để phát hiện phản lực trong quá trình lắp ráp các chi tiết máy và đôi khi để nhận tín hiệu lực ở các khớp động Chúng thường được lắp đặt tại các khớp quay, khớp cổ tay hoặc trên bàn kẹp Có nhiều phương pháp nhận biết lực, trong đó phổ biến nhất là sử dụng các tensomet, hay còn gọi là "tem biến dạng", vì chúng giống như những con tem nhỏ gắn trên các thanh biến dạng Một loại cảm biến lực thường được lắp ở khớp quay cổ tay, kết nối với bàn kẹp, được gọi là cảm biến lực chữ thập.

Các loại cảm biến tiệm cận trong công nghiệp

2.4.1 Định nghĩa cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận, hay còn gọi là công tắc tiệm cận (Proximity Sensors), là thiết bị phản ứng khi có vật thể gần kề, thường chỉ cách vài mm Loại cảm biến này rất phổ biến và thường được lắp đặt trong các smartphone, giúp nâng cao trải nghiệm người dùng hàng ngày.

Cảm biến tiệm cận đóng vai trò quan trọng trong việc xác định vị trí cuối của chi tiết máy, đồng thời kích hoạt các chức năng khác của thiết bị Đặc biệt, cảm biến này hoạt động hiệu quả trong cả những môi trường khắc nghiệt.

Cảm biến tiệm cận chuyển đổi chuyển động hoặc sự xuất hiện của vật thể thành tín hiệu điện thông qua ba hệ thống phát hiện chính: hệ thống dựa vào dòng điện xoáy sinh ra trong vật thể kim loại qua hiện tượng cảm ứng điện từ, hệ thống sử dụng sự thay đổi điện dung khi tiếp cận vật thể cần phát hiện, và hệ thống dựa vào nam châm cùng với chuyển mạch cộng từ.

Hình 2.19: Một số hình ảnh về cảm biến tiệm cận

2.4.2 Đặc điểm của cảm biến tiệm cận

• Phát hiện vật thể không cần tiếp xúc, không tác động lên vật, khoảng cách xa nhất tới 30mm

• Hoạt động ổn định, chống rung động và chống shock tốt

• Tốc độ đáp ứng nhanh, tuổi thọ cao so với công tắc giới hạn (limit switch)

• Đầu sensor nhỏ có thể lắp ở nhiều nơi

• Cảm biến tiệm cận có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt

Hình 2.20: Đặc điểm của cảm biến tiệm cận

2.4.3 Phân loại cảm biến tiệm cận

2.4.3.1 Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng từ

Hình 2.21: Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng từ

Cảm biến tiệm cận hoạt động dựa trên nguyên lý tạo ra từ trường bởi cuộn dây bên trong Khi có sự tương tác với vật thể kim loại, từ trường này sẽ thay đổi, cho phép cảm biến phát hiện sự hiện diện của các vật thể kim loại.

Cảm biến tiệm cận điện từ loại có bảo vệ (Shielded) giúp tập trung từ trường trước mặt sensor, giảm thiểu sự nhiễu loạn từ kim loại xung quanh Tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến khoảng cách đo ngắn hơn.

Cảm ứng từ không có bảo vệ (Un-Shielded) không có lớp bảo vệ từ trường xung quanh cảm biến, cho phép khoảng cách đo dài hơn Tuy nhiên, loại cảm biến này dễ bị nhiễu từ các kim loại xung quanh, ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo.

2.4.3.2 Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng điện dung

Cảm biến tiệm cận điện dung hoạt động dựa trên nguyên tắc tĩnh điện, cho phép phát hiện sự thay đổi điện dung giữa vật cảm biến và đầu sensor Nhờ vào nguyên lý này, cảm biến có khả năng phát hiện tất cả các loại vật thể.

Hình 2.22: Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng điện dung

2.4.4 Ứng dụng của cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp, đặc biệt là trong các dây chuyền sản xuất, điện thoại cảm ứng và ô tô.

Một số ứng dụng dễ thấy như:

• Kiểm soát chất lỏng trong bể chứa

• Kiểm soát chất lỏng trong hộp giấy

Hình 2.23: Ứng dụng cảm biến tiệm cận [3]

Hình 2.24: Ứng dụng cảm biến tiệm cận [3]

2.4.5 Một số lưu ý khi sử dụng cảm biến tiệm cận

• Xác định đối tượng xủ lý

• Tốc độ xử lý của cảm biến nhanh hay chậm; và độ chính xác khu vực đo có cần chính xác

Kiểm tra sức ảnh hưởng của môi trường xung quanh khu vực đo là cần thiết để xác định xem có tồn tại lượng từ trường lớn như nam châm hay không Việc này nhằm tìm ra biện pháp xử lý phù hợp, vì đây là một trong những nguyên nhân chính gây ra sai số trong quá trình đo của cảm biến tiệm cận.

▪ Ổn định rung động của khu vưc làm việc

▪ Khoảng cách cảm biến đo tới vật cần đo

Khi lựa chọn cảm biến tiệm cận cho các nhà máy, việc kiểm tra kỹ lưỡng và chọn loại phù hợp là rất quan trọng để đáp ứng nhu cầu đo lường cụ thể.

2.4.6 Thiết bị quan sát (visual system)

Thiết bị quan sát là một loại cảm biến đặc biệt, có khả năng nhận diện và xử lý hình ảnh đối tượng Chúng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, nhưng nổi bật nhất là trong lĩnh vực robot Hơn nữa, xử lý hình ảnh là một trong những lĩnh vực phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin hiện đại, do đó, thiết bị quan sát trên robot thường gắn liền với máy tính.

Hệ thống quan sát của robot được thiết kế để nhận biết hai loại vật thể: vật cao và vật thấp Nó bao gồm một nguồn sáng và hai cảm biến thu sáng Khi vật cao nằm trước nguồn sáng, cả hai cảm biến đều nhận được ánh sáng phản xạ Ngược lại, nếu chỉ có vật thấp, chỉ có cảm biến thấp hoạt động Trong trường hợp không có vật nào, không cảm biến nào nhận được tín hiệu Hình ảnh của đối tượng chỉ được thể hiện bằng hai điểm ảnh (pixel) trong kỹ thuật xử lý ảnh.

Hình 2.25: Hệ thống quan sát 2 pixel

Tín hiệu về đối tượng, tuy chỉ có 2 pixel nhưng cũng cần bộ phân tích, ví dụ một PLC Nó sẽ được lập trình để:

• Báo hiệu cho robot nếu vật cao trước mặt.Vì vậy robot chỉ phản ứng với vật cao

• Nổi hiệu lệnh cho người nếu chỉ có vật thấp trước mặt.Như vậy,người chỉ phản ứng nếu gặp vật thấp

Hệ thống được gọi là “thiết bị quan sát” có thể không hoàn toàn chính xác, nhưng thuật ngữ này giúp hình dung rõ ràng hơn về chức năng của thiết bị quan sát trong thực tế.

Hình 2.26: Hệ thống nhận dạng chi tiết

Thiết bị quan sát bao gồm các bộ phận cơ bản, tương tự như hệ thống đã nêu Đây là một hệ thống đơn giản giúp nhận dạng chi tiết, với khả năng phân biệt các yếu tố trong phạm vi quan sát của nó.

Hệ thống nhận dạng nói trên gồm có:

• Nguồn sáng: Tia sáng do nó phát ra sẽ bị phản xạ bởi vật và thu bởi…

• Camera biến đổi quang năng thành điện năng, cung cấp cho…

Bộ thu ảnh bao gồm mạch điện tử và phần mềm, có chức năng phân tích tín hiệu thành các pixel và biểu diễn chúng dưới dạng mã nhị phân Sơ đồ bố trí các điểm ảnh, được gọi là bitmap, sẽ được chuyển tới

Hệ thống điều khiển robot

PLC, hay Bộ điều khiển logic lập trình, là thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển thông qua ngôn ngữ lập trình Người dùng có thể lập trình để thực hiện một chuỗi các sự kiện, được kích hoạt bởi các tác nhân bên ngoài hoặc qua các hoạt động có thời gian trễ Khi sự kiện được kích hoạt, PLC sẽ bật hoặc tắt các thiết bị điều khiển bên ngoài, gọi là thiết bị vật lý Bộ điều khiển này liên tục lặp lại chương trình đã được lập trình, chờ tín hiệu đầu vào và xuất tín hiệu đầu ra theo thời gian đã định.

Để khắc phục nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối, bộ điều khiển PLC đã được chế tạo nhằm đáp ứng các yêu cầu hiện đại trong tự động hóa.

• Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học

• Gọn nhẹ, dễ bảo quản, sửa chữa

• Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chưa được những chương trình phức tạp

• Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

• Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như máy tính, nối mạng, các module mở rộng

Các thiết kế ban đầu được phát triển để thay thế phần cứng relay và logic thời gian, đồng thời đáp ứng nhu cầu tăng cường dung lượng nhớ và khả năng tính toán cho PLC, mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lý hiệu quả.

Trong hệ thống PLC, CPU và chương trình là hai đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển và xử lý Chức năng của bộ điều khiển được xác định qua một chương trình được nạp vào bộ nhớ PLC Khi cần thay đổi hoặc mở rộng chức năng của quy trình công nghệ, chỉ cần điều chỉnh chương trình trong bộ nhớ PLC mà không cần can thiệp vật lý như trong hệ thống nối dây relay Việc này giúp cho quá trình thay đổi trở nên dễ dàng và linh hoạt hơn.

Hình 2.27: Thành phần cơ bản trong một PLC

2.5.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

Tất cả PLC đều bao gồm các thành phần chính như bộ nhớ chương trình RAM, bộ vi xử lý với cổng giao tiếp để kết nối, và các module I/O Một số PLC còn được trang bị đơn vị lập trình bằng tay hoặc máy tính, với RAM đủ để lưu trữ chương trình hoàn chỉnh hoặc bổ sung Nếu là đơn vị lập trình cầm tay, RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ truyền chương trình sang bộ nhớ PLC khi đã được kiểm tra Đối với các PLC lớn, việc lập trình thường được thực hiện trên máy tính để hỗ trợ viết, đọc và kiểm tra chương trình, kết nối qua các cổng RS232, RS422, RS485, v.v.

• Nguyên lý hoạt động của PLC:

CPU là bộ phận điều khiển các hoạt động bên trong PLC, thực hiện việc đọc và kiểm tra chương trình lưu trữ trong bộ nhớ Sau đó, CPU sẽ thực hiện từng lệnh trong chương trình, điều khiển việc đóng hoặc ngắt các đầu ra Các trạng thái đầu ra này được truyền đến các thiết bị liên kết để thực thi, và toàn bộ quá trình thực thi phụ thuộc vào chương trình điều khiển được lưu giữ trong bộ nhớ.

Hệ thống bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song:

• Address bus: bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ tới các module khác nhau

• Data bus: bus dùng để truyền dữ liệu

• Control bus: bus dùng để truyền các tín hiệu định thì và điều khiển động bộ các hoạt động trong PLC

Trong PLC, dữ liệu được truyền giữa các bộ vi xử lý và các module vào ra thông qua bus dữ liệu Bus địa chỉ và bus dữ liệu bao gồm 8 đường, cho phép truyền đồng thời 8 bit của mỗi byte tại một thời điểm.

Khi một module đầu vào nhận địa chỉ trên bus địa chỉ, nó sẽ truyền tất cả trạng thái đầu vào vào bus dữ liệu Nếu địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện trên bus địa chỉ, module đầu ra tương ứng sẽ nhận dữ liệu từ bus dữ liệu Bus điều khiển sẽ gửi các tín hiệu điều khiển để theo dõi chu trình hoạt động của PLC Các địa chỉ và số liệu được truyền lên các bus tương ứng trong một khoảng thời gian hạn chế.

Hệ thống bus đóng vai trò quan trọng trong việc trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và các thiết bị I/O Đồng thời, CPU nhận được xung clock với tần số từ 1 đến 8MHz, quyết định tốc độ hoạt động của PLC và đảm bảo tính đồng bộ cũng như định thời cho toàn bộ hệ thống.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Yêu cầu của hệ thống

Hệ thống có khả năng xử lý nhiều loại phôi với kích thước, hình dáng và khối lượng khác nhau, từ đó tạo ra sự đa dạng cho các sản phẩm thu được sau quá trình lắp ghép.

Hình 3.1: Hình ảnh và kích thước của phôi LM8U

Hình 3.2: Bãn vẻ và hình ảnh thực tế của bạc đạn 6003

Hình 3.3: Bản vẽ và hình ảnh thực tế của phôi vuông

Các phôi này có cấu trúc đối xứng 2 trục, vì vậy cần phải định hướng phôi hai lần Để đạt hiệu suất cao và dễ thực hiện cho ba loại phôi này, phương án cấp phôi hiệu quả sẽ là sử dụng dạng khe rãnh.

Sơ đồ khối điều khiển

Dựa trên các yêu cầu kỹ thuật và điều khiển của hệ thống được trình bày trong chương 2, chúng ta sẽ xây dựng một sơ đồ các khối chức năng tương ứng.

Hình 3.4: Sơ đồ các khối cho hệ thống

• Khối nguồn: Cung cấp nguồn điện cho toàn bộ hệ thống

Hệ thống giám sát cung cấp giao diện thân thiện giữa người và máy, giúp người dùng dễ dàng điều chỉnh các thông số của hệ thống và quản lý toàn bộ quá trình hoạt động hiệu quả.

Bộ điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc đọc tín hiệu từ cảm biến và hệ thống giám sát, thực hiện chương trình và xuất tín hiệu điều khiển cho mạch công suất cũng như robot.

• Cảm biến: đọc và phát hiện vật, đếm số lượng sản phẩm đã hoàn thành

Robot thực hiện chức năng lấy phôi và ghép phôi, sau khi hoàn thành, sẽ gửi tín hiệu về bộ điều khiển để chuẩn bị nhận lệnh tiếp theo.

• Mạch công suất: đóng ngắt van xả khí

• Xi lanh: đây vật từ trụ cấp phôi

Nhóm sinh viên đề xuất thiết kế một hệ thống quan sát đơn giản cho robot, nhằm nhận biết ba vật thể với kích thước, hình dáng và vật liệu khác nhau Hệ thống cần sử dụng một nguồn sáng, hai cảm biến thu sáng và một cảm biến tiệm cận Nếu không có phôi ở các vị trí tương ứng, các cảm biến sẽ không gửi tín hiệu về bộ điều khiển.

Lựa chọn thiết bị

Trong hệ thống công nghiệp, việc lựa chọn robot cho quá trình cấp ghép phôi là rất quan trọng Trong lĩnh vực lắp ghép phôi trên cùng mặt phẳng, có nhiều dòng robot đáp ứng tốt, nhưng robot Scara nổi bật với tính tối ưu, linh hoạt và dễ điều khiển Chính vì vậy, robot Scara rất phù hợp cho việc thực hiện lắp ghép phôi trong đề tài này.

Robot SCARA (Selectively Compliant Articulated Robot Arm) có nghĩa là có thể lựa chọn dễ dàng khớp nối cánh tay Robot

Do chuyển động của robot SCARA đơn giản, dễ dàng điều khiển nên nó được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp

Robot SCARA có thiết kế động cơ truyền động cho cánh tay được gắn trên trục cơ bản, kết nối với cánh tay qua đai truyền Thiết kế này giúp duy trì góc quay của cánh tay không bị thay đổi trong suốt quá trình chuyển động.

Robot SCARA có khả năng được điều khiển thông qua lập trình máy tính bằng cách thiết lập dữ liệu cho từng trục, hoặc có thể được điều khiển bằng tay thông qua thiết bị lái điện (biến trở) Động học thuận của robot SCARA với 4 bậc tự do cho phép thực hiện các nhiệm vụ chính xác và linh hoạt.

Hình 3.5: Chọn hệ trục tọa độ cho robot RH-3FRH

Theo Hình 3.5 ta có bảng DH sau :

Bảng 3.1: Bảng DH-Robot Scara [14]

Từ bảng DH trên ta lần lượt có các ma trận xoay:

Từ ma trận 0 T4 ta có được phương trình động học thuận của robot như sau :

Theo như thông số của nhà phát hành ta có:

Bảng 3.2: Bảng thông sô kỹ thuật robot RH-3FRH [11]

Driver hệ thống AC Servo

Cảm biến vị trí Encoder tuyệt đối

Thắng J1,J2,J4 không thắng, J3 có thắng

Tầm hoạt động các khớp

J3 (Z) 150 mm J4 (𝜃 axis) ± 360 deg Tải trọng mang tối đa 3 Kg

Tốc tối đa duy chuyển các khớp

Bãn vẽ kích thươc thực tế của robot được trình bày như hình bên dưới :

Hình 3.6: Bản vẽ chi tiết kích thước cơ khí của Robot [12]

Dựa vào các thông số kích thước cơ khí của robot và phương trình động học thuận, ta có thể dễ dàng xác định không gian hoạt động của robot trong nửa mặt phẳng hình cung, như được minh họa trong hình dưới đây.

Hình 3.7: Không gian hoạt động của robot [12]

3.3.2 Lựa chọn bộ điều khiển

Robot mà chúng ta đang sử dụng là dòng RH-3FRH của Mitsubishi, được trang bị bộ điều khiển CR-800 Bộ điều khiển này giao tiếp trên nền tảng PLC-iQ-R, do đó, việc chọn lựa bộ điều khiển phù hợp là bắt buộc phải thuộc dòng PLC-iQ-R.

Dòng sản phẩm MELSEC iQ-R là bộ điều khiển tự động lập trình đa năng, đáp ứng nhu cầu điều khiển tự động đa dạng với hệ thống tốc bus độ cao MELSEC iQ-R mang lại hiệu suất cao và khả năng xử lý thông minh, đi kèm với các mô hình mạng CC-Link, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp hiện đại.

Bộ điều khiển quá trình iQ-R sở hữu khả năng thay đổi dung lượng bộ nhớ và điều khiển chuyển động với độ chính xác cao nhờ các trục điều khiển được Hệ thống này tích hợp CPU dành riêng cho ứng dụng, bao gồm CPU An toàn hỗ trợ các tiêu chuẩn an toàn chức năng, CPU xử lý cho điều khiển PID tốc độ cao và khả năng trao đổi nóng các module I/O Khi kết hợp với mô đun chức năng dự phòng, hệ thống đảm bảo tính khả dụng cao trong điều khiển Ngoài ra, CPU Bộ điều khiển C cung cấp lập trình bằng ngôn ngữ C, thuận tiện cho việc chuyển đổi từ máy tính cá nhân hoặc hệ thống dựa trên vi điều khiển.

• Khả năng mở rộng cao với công suất chương trình từ 10K đến 1200K bước

• Cải thiện kiến trúc bộ điều khiển đa CPU

• CPU mạng gigabit nhúng CPU

• DB nội bộ để kiểm soát công thức hàng loạt đơn giản

• Bảo mật được nhúng trong băng SRAM phần cứng

• Có thể điều khiển chuyển động khác nhau (vị trí, tốc độ, mô-men xoắn, đồng bộ hóa nâng cao, v.v.)

• CPU an toàn tiêu chuẩn quốc tế (ISO 13849-1 PL e, IEC 61508 SIL 3)

Điều khiển PID tốc độ cao cho phép thay thế mô-đun trực tuyến (trao đổi nóng), đồng thời hỗ trợ CPU trong việc xử lý hệ thống dự phòng với độ tin cậy cao.

• Lập trình C/C ++ lý tưởng cho các hệ thống dựa trên PC/vi điều khiển

Bảng 3.3: Thông số cơ bảng các dòng CPU iQ-R [11]

Chế độ điều khiển I/O Quét I/O (cho phép chọn chính xác I/O truy cập I/O )(DX, DY))

Bậc thang (LD), structured text (ST), function block diagram (FBD), sequential function chart (SFC)

Function block (FB), label programming (system/local/global)

Initial, scan, fixed scan, interrupt, standby

Dung luojng bộ nhớ (byte) 40K 60K 80K 160K 320K 640K 1280K 4800K

Dung lượng truy cập biến

Dữ liệu lưu trũ (byte) 1.5M 1.5M 1.5M 2M 5M 10M 20M 40M

CPU R04CPU có tốc độ xử lý ổn định và khả năng mở rộng I/O lớn, rất phù hợp cho đề tài này Để nâng cao khả năng điều khiển cho robot, chúng ta sẽ sử dụng thêm robot CPU.

Chúng ta sẽ sử dụng R16RT-CPU được thiế kế riêng cho việc điều khiển robot.Việc này sẽ giúp chúng ta giao tiếp và điều khiển dễ dàng

Sau khi lựa chọn CPU điều khiển và CPU robot, bước quan trọng tiếp theo là chọn loại rack phù hợp để đảm bảo giao tiếp hiệu quả giữa hai CPU Việc xác định yêu cầu giao tiếp giữa chúng là rất cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.

CPU là phải giao tiếp được tốc độ cao

Hiện nay misubishi có các loại rack sau :

Bảng 3.4: Các loại rack của sử dụng cho dòng iQ-R [11]

Extended temp range main base unit *5

Extended temp range main base unit *5

DIN rail mounting adapter type

Trong các rack nêu trên rack hổ trợ giao tiếp tốc độ cao cho CPU xử lý và CPU robot là rack R38B Rack này hổ trợ 8 slot I/O

Khi lựa chọn rack, bước tiếp theo là chọn module I/O phù hợp Đối với hệ thống cấp ghép phôi sử dụng robot, số lượng ngõ I/O cần thiết không quá nhiều cũng không quá ít, nhằm tiết kiệm slot của rack Hiện nay, module I/O RH42C4NT2P là một lựa chọn phổ biến trên thị trường.

Thông số kỹ thuật chính của RH42C4NT2P:

• Điện áp cung cấp ngõ vào: 24v DC

• Điện áp cung cấp ngõ ra: 12/24v DC

• Điện áp mực ON: 19v hoặc 3mA cao hơn

• Điện áp mức OFF: 6v hoặc mA thấp hơn

Để đảm bảo hoạt động hiệu quả cho bộ điều khiển RH42C4NT2P, nguồn nuôi là yếu tố quan trọng không thể thiếu Nguồn nuôi cần phải ổn định và đủ công suất để cung cấp cho hai CPU cùng với module I/O Chúng ta sẽ lựa chọn nguồn nuôi R61P với các thông số kỹ thuật phù hợp.

• Điện áp ngõ vào : 100…240 V AC

• Tần số điện áp ngõ vào : 50/60 Hz

3.3.3 Lựa chọn loại cảm biến

Để đảm bảo quy trình sản xuất hiệu quả, việc nhận biết vị trí của phôi là rất quan trọng Cần phát hiện lượng phôi còn lại và kiểm soát số lượng sản phẩm hoàn thiện Do đó, lựa chọn cảm biến phù hợp để nhận diện phôi ở các vị trí khác nhau là điều cần thiết.

3.3.3.1 Lựa chọn cảm biến cho phôi vuông

Trong mô hình phôi vuông bằng nhựa, cảm biến tiệm cận điện dung là lựa chọn tối ưu để nhận biết vật liệu Hai loại cảm biến phù hợp cho việc xác định phôi nhựa là cảm biến tiệm cận điện dung và cảm biến tiệm cận quang.

45 cảm biến điện dung và cảm biến quang Với khả năng nhận biết được vật trong mọi điều kiện ánh sáng nên cảm biến điện dung thích hợp hơn

Khi lựa chọn cảm biến, độ ổn định, nhiệt độ hoạt động, khả năng đáp ứng và giá thành là những yếu tố quan trọng Vì vậy, nhóm đã quyết định sử dụng cảm biến tiệm cận điện dung dòng CR-Series của hãng Autonics Để đảm bảo hiệu quả, cần xác định kích thước cảm biến phù hợp với hệ thống.

Thông số hình dạng kích thước CR Series của Autonics:

Hình 3.9: Thông số kích thước của dòng cảm biến CR Series của Autonics [7]

Theo như hình 3.9 kích thước cảm biến của sản phẩm phù hớp với kích thướng mô hình thiết kế sẽ là dòng CR-18-8

Sơ đồ kết nối phần cứng

Với các thiết bị đã được chọn ta có sơ đồ kết nối từng thiết bị tương ứng với từng bộ phận trong đề tài cụ thể như sau:

• Sơ đồ kết nối PLC

Hình 3.21: Sơ đồ kết nối dây của thiết bị và module I/O RH42C4NT2P

• Sơ đồ kết nối mạch động lực

Hình 3.22: Sơ đồ kết nối mạch động lực của hệ thống

Thuật toán điều khiển

Sau khi lựa chọn thiết bị cho hệ thống, bước tiếp theo là lập trình điều khiển để các thiết bị hoạt động theo một trình tự logic, cụ thể và chính xác.

Hình 3.23: Hình ảnh minh họa trạm cấp và lắp ghép phôi tự động

Trình tự hoạt động của hệ thống cấp và lắp ghép phôi tự động:

Phôi (1), (2) và (3) được bảo quản trong trụ cấp phôi và được đẩy ra bàn chứa nhờ cơ cấu xi lanh khí nén.

Khi cảm biến phát hiện không có vật trên bàn chứa phôi, robot sẽ di chuyển để đưa từng phôi từ bàn phôi (1), (2) và (3) vào bàn ráp phôi Sau khi lắp ghép hoàn chỉnh ba phôi thành sản phẩm, robot sẽ chuyển sản phẩm này lên băng tải để vận chuyển tới khâu tiếp theo Quá trình này sẽ lặp lại cho đến khi đạt đủ số lượng sản phẩm yêu cầu.

Từ quy trình hoạt động trên nhóm sinh viên đề xuất thuật toán điều khiển như sau:

Hình 3.24: Lưu đồ giải thuật

Trong lĩnh vực cấp và lắp ghép phôi tự động, robot công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển các phôi thành phần từ các trụ cấp cố định Quá trình lắp ghép diễn ra theo một trình tự logic, giúp tạo ra sản phẩm hoàn chỉnh một cách lặp đi lặp lại theo chu trình cố định Nhóm sinh viên đã áp dụng giải thuật điều khiển robot bằng phương pháp dạy học thông qua tay dạy điểm (Teaching pendant).

Các điểm cố định được lập trình thông qua teaching pendant, cho phép điều khiển chuyển động của robot xung quanh các vị trí theo trình tự logic đã được xác định trước.

Hình 3.25: Mô phỏng vị trí làm việc của robot trong RT Tool3

Quy hoạch quỹ đạo chuyển động của robot hướng tới tối ưu hóa chuyển động, giúp nâng cao năng suất làm việc và loại bỏ những quãng đường không cần thiết, từ đó tiết kiệm năng lượng và thời gian.

Hình 3.26: Quy hoạch quỹ đạo và tối ưu hóa chuyển động robot

Dựa trên quy trình hoạt động và lưu đồ giải thuật, chúng tôi tiến hành lập trình cho bộ điều khiển PLC Mitsubishi IQ-R và bộ điều khiển robot CR800.

3.5.1 Lập trình bộ điều khiển IQ-R Để thiết lập cấu hình và lập trình cho bộ điều khiển quá trình IQ-R ta sử dụng phần mềm chuyên cho lập trình PLC Mitsubishi là GX Works GX Works có hai dòng chính là GX Works 2 và GX Works 3 PLC IQ-R là dòng PLC sử dụng phần mềm lập trình GX Works 3

Phần mềm GX Works 3 là công cụ lập trình tiện lợi, hỗ trợ tất cả các dòng sản phẩm PLC của Mitsubishi, bao gồm các dòng IQ và FX.

Giao diện của phần mềm rất trực quan và dễ sử dụng Giao diện phần mềm có dạng như hình bên dưới:

Hình 3.28: Giao diện lập trình của phần mềm GX Works 3

Cấu hình phần cứng theo những thiết bị được chọn chương này như:

• Module I/O: RH42C4NT2P Để cấu hình phần cứng chúng ta thực hiện các bước như sau :

Khởi động phần mềm GX Works 3 và tạo một dự án mới bằng cách chọn dòng và mã PLC cùng ngôn ngữ lập trình theo hướng dẫn đã đề cập ở phần trước.

Hình 3.29: Mã và dòng PLC và ngôn ngữ lập trình

Giống đã chọn cho dòng PLC của chúng ta là RCPU với mã CPU R04 Ngôn ngữ lập trình được chọn là Ladder, vì nó mô tả như một mạch điện, giúp dễ dàng kiểm soát và hình dung nguyên lý hoạt động của hệ thống.

• Bước 2: Sau khi nhấn OK, giao diện sẽ như hình 3.24 Tiếp đó chọn vào mục Module Configuation sau đó sẽ xuất hiện giao diên sau:

Hình 3.30: Giao diện cấu hình các thiết bị

Khi cấu hình thiết bị, chúng ta cần sắp xếp theo thứ tự cụ thể, bắt đầu với khối nguồn, tiếp theo là khối CPU xử lý Sau đó, chúng ta sẽ đến khối CPU Motion, tiếp theo là các khối I/O, Analog, và cuối cùng là khối giao tiếp giữa các thiết bị Việc tuân thủ quy tắc sắp xếp này giúp đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống.

Sau khi cấu hình thiết bị xong, bạn hãy nhấp chuột phải và chọn "Check" Tại đây, sẽ hiển thị hai thông số: Nguồn cung cấp I/O và cấu hình phần cứng Nếu hệ thống được cấu hình đúng, sẽ có thông báo xác nhận không có lỗi.

• Bước 3: Cấu hình Prameter giao tiếp giữa hai CPU

Nhấp chuột phải và chọn "Open System Parameter" Tiếp theo, chọn mục "Multiple CPU Setting" để xem các thông số cấu hình được trình bày trong hình dưới đây.

Hình 3.31: Hướng dẫn chi tiết thông số cấu hình

Sau khi cấu hình các thông số như hình 3.25, hãy chọn kiểm tra để xác nhận không có lỗi Nếu mọi thông số đều chính xác, chọn OK Tiếp theo, tiến hành cấu hình I/O và thời gian đáp ứng, lưu ý rằng cấu hình này có thể thay đổi tùy theo mục đích sử dụng.

Sau khi hoàn tất việc cài đặt các thông số cho hệ thống nhóm sinh viên tiến hành lập trình và chi tiết đề cập ở phần phụ lục

KẾT QUẢ